Проводники в электрическом поле. 
Экспериментальное определение элементарного электрического заряда

В камере С был помещен плоский конденсатор из круглых латунных пластин М и N диаметром 22 см (расстояние между ними было 1,6 см). В центре верхней пластины было сделано маленькое отверстие р, сквозь которое проходили капли масла. Последние образовывались при вдувании струи масла с помощью распылителя. Воздух при этом предварительно очищался от пыли путем пропускания через трубу со стеклянной ватой. Капли масла имели диаметр порядка 10−4 см.

От аккумуляторной батареи В на пластины конденсатора подавалось напряжение 104 В. С помощью переключателя можно было закорачивать пластины и этим разрушат электрическое поле.

Капли масла, попадавшие между пластинами М и N, освещались сильным источником. Перпендикулярно направлению лучей через зрительную трубу наблюдалось поведение капель.

Ионы, необходимые для конденсации капель, создавались излучением кусочка радия массой 200 мг, расположенного на расстоянии от 3 до 10 см сбоку от пластин.

С помощью специального устройства опусканием поршня производилось расширение газа. Через 1 — 2 с после расширения радий удалялся или заслонялся свинцовым экраном. Затем включалось электрическое поле и начиналось наблюдение капель в. зрительную трубу. Труба имела шкалу, по которой можно было отсчитывать путь, пройденный каплей за определенный промежуток времени. Время фиксировалось по точным часам с арретиром.

В процессе наблюдений Милликен обнаружил явление, послужившее ключом ко всей серии последующих точных измерений отдельных элементарных зарядов.

«Работая над взвешенными каплями, — пишет Милликен, — я несколько раз забывал закрывать их от лучей радия. Тогда мне случалось замечать, что время от времени одна из капель внезапно изменяла свой заряд и начинала двигаться вдоль поля или против него, очевидно, захватив в первом случае положительный, а во втором случае отрицательный ион. Это открывало возможность измерять с достоверностью не только заряды отдельных капель, как это я делал до тех пор, но и заряд отдельного атмосферного иона.

В самом деле, измеряя скорость одной и той же капли два раза, один раз до, а второй раз после захвата иона, я, очевидно, мог совершенно исключить свойства капли и свойства среды и оперировать с величиной, пропорциональной только заряду захваченного иона".

Элементарный заряд вычислялся Милликеном на основании следующих соображений. Скорость движения капли пропорциональна действующей на нее силе и не зависит от заряда капли.

Если капля падала между пластинами конденсатора под действием только силы тяжести со скоростью υ, то

υ1=kmg (1)

При включении поля, направленного против силы тяжести, действующей силой будет разность qE — mg, где q — заряд капли, Е — модуль напряженности поля.

Скорость капли будет равна:

υ2 =k (qE-mg) (2)

Если разделить равенство (1) на (2), получим Отсюда

(3)

Пусть капля захватила ион и заряд ее стал равен q', а скорость движения υ2. Заряд этого захваченного иона обозначим через e.

Тогда e= q'— q.

Используя (3), получим

(4)

Следовательно, всякий захваченный каплей заряд будет пропорционален разности скоростей (υ'2 — υ2), иначе говоря, пропорционален изменению скорости капли вследствие захвата иона! Итак, измерение элементарного заряда было сведено к измерению пути, пройденного каплей, и времени, за которое этот путь был пройден. Многочисленные наблюдения показали справедливость формулы (4). Оказалось, что величина е может изменяться только скачками! Всегда наблюдаются заряды е, 2е, 3e, 4е и т. д.

«Во многих случаях, — пишет Милликен, — капля наблюдалась в течение пяти или шести часов, и за это время она захватывала не восемь или десять ионов, а сотни их. В общей сложности я наблюдал таким путем захват многих тысяч ионов, и во всех случаях захваченный заряд… был либо в точности равен наименьшему из всех захваченных зарядов, либо он равнялся небольшому целому кратному этой величины. В этом заключается прямое и неопровержимое доказательство того, что электрон не есть „статистическое среднее“, но что все электрические заряды на ионах либо в точности равны заряду электрона, либо представляют небольшие целые кратные этого заряда».

Итак, атомистичность, дискретность или, говоря современным языком, квантованность электрического заряда стала экспериментальным фактом. Теперь важно было показать, что электрон, так сказать, вездесущ. Любой электрический заряд в теле любой природы представляет собой сумму одних и тех же элементарных зарядов.

Метод Милликена позволил однозначно ответить на этот вопрос. В первых опытах заряды создавались ионизацией нейтральных молекул газа потоком радиоактивного излучения. Измерялся заряд ионов, захваченных каплями.

При разбрызгивании жидкости пульверизатором капли электризуются благодаря трению. Это было хорошо известно еще в XIX в. Являются ли эти заряды также квантованными, как и заряды ионов? Милликен «взвешивает» капли после разбрызгивания и производит измерения зарядов описанным выше способом. Опыт обнаруживает ту же дискретность электрического заряда.

Далее была показана тождественность электрических зарядов на телах различной физической природы.

Вбрызгивая капли масла (диэлектрика), глицерина (полупроводника), ртути (проводника), Милликен доказывает, что заряды на телах любой физической природы состоят во всех без исключения случаях из отдельных элементарных порций строго постоянной величины. В 1913 г. Милликен суммирует результаты многочисленных экспериментов и дает для элементарного заряда следующее значение: е = 4,774.

10−10 ед. заряда СГСЕ. Так была установлена одна из важнейших констант современной физики. Определение электрического заряда сделалось простой арифметической задачей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Измерение элементарного электрического заряда открыло возможность точного определения ряда важнейших физических констант. Знание величины е автоматически дает возможность определить значение фундаментальной константы — постоянной Авогадро. До опытов Милликена существовали лишь грубые оценки постоянной Авогадро, которые давались кинетической теорией газов. Эти оценки опирались на вычисления среднего радиуса молекулы воздуха и колебались в довольно широких пределах от 2.1023 до 20.1023 1/моль.

Очевидно, что точность определения постоянной Авогадро задается точностью, с которой измеряется заряд электрона. Практика потребовала увеличения точности определения фундаментальных констант, и это явилось одним из стимулов к продолжению совершенствования методики измерений кванта электрического заряда. Работа эта, носящая уже чисто метрологический характер, продолжается до сих пор.

Наиболее точными в настоящее время являются значения:

е = (4,8029±0,0005) 10−10. ед. заряда СГСЕ;

N0= (6,0230±0,0005) 1023 1/моль.

Зная No, можно определить число молекул газа в 1 см³, поскольку объем, занимаемый 1 молем газа, представляет собой уже известную постоянную величину.

Знание числа молекул газа в 1 см³ дало в свою очередь возможность определить среднюю кинетическую энергию теплового движения молекулы. Наконец, по заряду электрона можно определить постоянную Планка и постоянную Стефана-Больцмана в законе теплового излучения.

1. Детлаф А. А., Яворский Б. М. Курс физики: Учеб. пособие для ВУЗов М.: Высш. школа, 1989;608с, с илл

2. Геворкян Р. Г., Шепель В. В. Курс общей физики: Учеб. пособие для ВУЗов. Изд. 3-е, перераб. М.: Высш. школа, 1979.-598с

3. Савельев И. В. Курс физики. В 3-х томах. Т. 3. Квантовая оптика. Волны. Оптика.

Атомная физика. Физика твёрдого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. М.: Наука, 1989.-304с.

4. Савельев И. В. Курс физики. В 3-х томах. Т. 2. Электричество и магнетизм. М.: Наука, 1982.-496с.

5. Трофимова Т. И. Краткий курс физики. М.: Высшая школа, 2000.

6. Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т.3: Электричество и магнетизм. — М.: Наука, 1990

7. Роуэлл Г., Герберт С. Физика. — М.: Просвещение, 1994.

8. Яворский Б. М., Пинский А. А. Основы физики, т.т. 1−2. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2000.

9. Павлов П. В., Хохлов А. Ф. Физика твердого тела. -М.: Высшая школа, 1985

10. Парселл Э. Электричество и магнетизм. М.: Наука, 1983.

Детлаф А.А., Яворский Б. М. Курс физики: Учеб. пособие для ВУЗов М.: Высш. школа, 1989;608с, с илл

Геворкян Р.Г., Шепель В. В. Курс общей физики: Учеб. пособие для ВУЗов. Изд. 3-е, перераб. М.: Высш. школа, 1979.-598с

Трофимова Т. И. Краткий курс физики. М.: Высшая школа, 2000.

6. Сивухин Д. В. Общий курс физики. Т.3: Электричество и магнетизм. — М.: Наука, 1990

Роуэлл Г., Герберт С. Физика. — М.: Просвещение, 1994.

Яворский Б.М., Пинский А. А. Основы физики, т.т. 1−2. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2000.

Павлов П.В., Хохлов А. Ф. Физика твердого тела. -М.: Высшая школа, 1985

Парселл Э. Электричество и магнетизм. М.: Наука, 1983.

Схема опыта